工程測量中無人機航測技術的應用

李 帥，張 杰，杜立杰，李 盼

(北京速測信息科技有限公司，北京 100080)

1 無人機航測技術

1.1 無人機航測技術原理

將無人機航測技術應用于工程測量中可以有效提高測量效率與測量精度，通過對高分辨率影像數據的快速處理與反饋來獲取質量較高的影像數據，但同時對無人機的拍攝能力和數據處理能力提出了更高的要求。目前，主流的無人機航測技術主要包括影像資料采集與數據處理兩個系統，其中影像資料采集必須建立在無人機飛行控制系統與地面監控系統的基礎上，通過操縱無人機沿著計劃航線來獲取相應的航拍影像資料。通常情況下，需要將航向重疊保持在70%，旁向重疊保持在50%。航拍相片重疊是指無人機對同一目標間隔相同距離的兩個位置進行拍攝，因此無人機航拍對其數據信息處理能力具有較高要求。無人機航拍技術的數據信息處理整合能力不斷增強，可以在短時間內對無人機航拍的大量相片進行處理分析，檢測相片拍攝質量并對其預處理與更正。隨著無人機航拍技術適應范圍越來越大，其在工程測量中應用越來越廣泛，其中遙感信息處理系統分為三維建模系統與空中三角測量系統。空中三角測量系統是無人機航測應用于工程測量的基礎，可以有效提高航測精度。空中三角測量系統是對航帶的整合處理，確定不同行帶之間的關系，對影像通過定向分析整合，確定無人機航測影像的連接點設置，通過相控點與平差計算來構建完善的工程三維立體模型。無人機航測技術原理如圖1所示。

圖1 無人機航測技術原理Fig.1 Principle of UAV aerial survey technology

1.2 無人機航測技術要求

無人機航測技術作為現代主要數據采集手段之一，在工程地形數據采集上具有較高效率，使工程數據測量準確性提高。無人機航測技術在不同地形條件下平面與高程精度要求不同，具體如表1所示。

表1 無人機航測技術在不同地形條件下平面與高程精度 (m)

在工程測量中應用無人機航測技術，為了獲取更加精準的測量結果，為工程開展提供數據參考，在應用無人機航測技術前要做好準備工作。全面檢查無人機航測系統，確保無人機設備與拍攝設備正常運行，確保無人機攝影設備影像呈現效果清晰，在無人機起飛前需要分析周圍空中環境，可以為無人機飛行拍攝提供良好空間條件。應用無人機航測的技術必須嚴格遵守航測工作流程，使航測數據結構準確性提高。

2 無人機航測技術在工程測量中的優勢

2.1 操作簡單

工程測量中應用無人機航測技術，無人機不需要專業駕駛員進行操作作業，只需要無人機控制人員對拍攝影像隨時注意查看，注意觀察無人機的飛行狀態。無人機操作技術也越來越簡單，小型無人機機身、體積及重量都大大減少，最小的無人機只有巴掌大小，在手上就可以實現起飛與降落。無人機航測技術相較于傳統客機航測技術大大減少了選擇起飛降落地點的問題，其機身質量增加，在低空飛行可以很好地適應風向變化，降低飛行設備振動，避免對拍攝數據與圖像采集造成影響。使用無人機航測技術只需要提前設定無人機飛行路線，隨時觀察無人機的飛行狀態，根據實際情況修正。無人機系統發生問題時可以自行降落或飛回至起點排除故障，由于無人機結構簡單，維修或零件更換成本較低，排除故障后可以重新飛行測量。

2.2 拍攝精確度高

無人機航測技術具有數據采集能力強、精確度高的優點，對無人機操作人員技術水平要求較低，極大程度減少了無人機操作時間與數據分析處理時間，無人機自身所攜帶的高清攝影相機與專業測繪儀器，可以將工程拍攝影像質量大幅度提高，提升工程測繪精確度。無人機具有一定的智能與自動化，可以在一定程度減少工作壓力，提高工作效率質量。無人機還可以使用低空遙感模式對工程地理信息完成勘測，不管在高空還是超低空下都可以正常完成測繪作業，廣泛應用于工程測量與應急救援領域中。

2.3 飛行周期短

無人機測繪技術在工程測量中應用具有較短的飛行周期，可以實現快速起飛降落，在數據獲取分析及處理中，只需要投入較少時間。無人機測繪技術成本相較于傳統客機測繪技術成本非常低，主要由于無人機制造材料成本低，保養頻率低，零件構造簡單，后期維修費用少，極大程度減少了工程測繪成本。無人機具有簡單的操作模式，測繪人員可以在短時間內學會無人機設備操作和拍攝程序的使用，無需再投入其他成本，具有使用成本低的優點。

3 無人機航測技術應用流程

3.1 無人機航測技術外部處理工作

外部工作包括工程控制點建立，航測路線規劃及實際航測作業。建立工程控制點時如果仍然采用傳統地形測量技術對復雜的工程地形進行測量，將會出現一些問題，因此可以將無人機空中識別技術應用于工程控制點建立中，通常每隔260 m建立一個工程控制點，控制點數量取決于工程項目的規模大小。無人機航線規劃過程中，必須依據工程項目規模與地形來確定無人機飛行高度與飛行路線，應先對航測區域的地質條件、面積大小、天氣情況等多因素進行調查，根據無人機實際航測情況設計出科學合理的航線，包括確定航線數量與航線方向，盡可能得到工程準確合理的數據，確保航測數據的準確性與有效性。應注意無人機的速度與飛行高度，確保拍攝圖像足夠清晰。可以將檢查路線預期輸入到無人機飛行控制系統中，通過無人機對空氣環境進行檢查，通過無人機航測技術來獲取更加真實有效的工程數據。無人機航測技術應用流程如圖2所示。

圖2 無人機航測技術應用流程Fig.2 Application process of UAV aerial survey technology

3.2 無人機航測低空作業

在低空環境作業測繪中，采用傳統客機航拍技術經常會由于地形因素和天氣環境影響導致測繪結果出現問題，使航拍起降受到較大限制，如果在拍攝過程中遇到云層還會影響拍攝質量，降低航拍安全性。應用無人機航測技術可以有效解決這些問題，無人機航測起飛降落對外界環境要求較低，不會受到云層的影響。無人機航測在低空作業時不需要技術人員實施跟蹤，所有操作流程都可以通過遠程遙控技術完成，有效保證了操作人員的安全。

3.3 工程數據采集

航測數據采集作為無人機航測技術的重要組成，要對數據信息手動采集，通過自動加密系統對數據信息加密處理。通過操作設備對無人機遠程操作拍攝，根據工程測量需求與實際施工情況來操作無人機，確保數據采集的真實性與準確性，當數據采集后還需進行自動加密，將拍攝的影像轉化為數據信息儲存起來，根據相應的算法自動加密，只有通過輸入密碼才能正常訪問數據信息。無人機航測技術通過自動加密可以有效確保數據采集的安全性，避免數據出現損失或丟失。影像測繪過程中，要根據實際作業情況合理規劃設置無人機路線，在無人機測繪起飛前，調整相機鏡頭，查看相機成像效果，避免由于攝像設備問題造成無人機航測技術應用效果較差。無人機飛行過程中路線并不是非常穩定，有時會出現偏角問題，如果風力過大還會造成無人機影像旋片角度過大，實際影像無法直接對應。因此技術人員必須合理規劃無人機飛行環境、起落平臺及飛行路線，根據無人機飛行特點開展測量作業。通常情況下采用空中三角測量技術定點測量，通過其自動化特點對無人機航測中的操作誤差自動糾正處理，自動匹配相應航線數據，對連接點提取并測量，判斷是否分布均勻，有效增強航拍畫面的清晰程度，使影像匹配與連接點提取的誤差有效降低，避免無人機拍攝錯誤，提高無人機航測質量。

3.4 影像數據處理

無人機航測技術在工程測量中應用，要采集到航拍圖像數據并對航拍圖像質量進行驗證，確保滿足工程建設對地形圖測量的要求，如果不能滿足需求還需要進行再次拍攝，直到航拍圖像滿足工程規劃要求。可以通過對航拍圖像檢查，進行內部數據處理，完成空中三角測量后可以合并不同子塊的航空圖像，使用相同的圖像控制點來執行不同子塊的圖像數據。對其中嚴重誤差進行排除，處理區域網絡限制問題。將圖像數據處理后導入映射軟件中，對內部方向、相機變形及平均高度測量等參數完成設置。根據工程地形數據完成編輯，如果最終工程情況出現缺陷，必須及時發現并矯正，直到地形圖生成滿足工程規劃要求。

3.5 無人機航測內部處理工作

無人機航測技術的內部處理工作主要包括數據準備與數據結算兩方面。數據準備工作是將無人機中的航測數據導出后，對其航測位置與影像資料進行處理，對無人機整體航向與旁向角度調整，處理無人機航測數據，在之前控點布設的基礎上確定工程具體坐標。數據結算工作中，需要將無人機航測相關數據信息導出，在數據基礎上建立具體位置坐標圖，將坐標圖與工程實際位置相匹配，對工程數據規劃處理，根據控制點位置來選擇工程合適的坐標體系，完成數據處理。

4 無人機航測質量提高措施

4.1 確定合適的測量技術

工程測量中使用無人機航測技術，要獲取工程數據資料就必須根據實際情況選擇合適的測量方法，根據工程不同測量區域內容來選擇合適的測量技術，將測量數據及時反饋處理，確保數據信息獲取質量。完成無人機航測數據采集，在記錄過程中開始二次航測，分解無人機飛行路線，確保飛行路線更加準確與全面，在收集航測數據過程中采取有效措施提高無人機攝像分辨率，使數據質量更高。獲取無人機航測數據時，不但要對其進行檢測，還要通過數據分析技術對檢測獲取的數據進行分析，使數據資料精確度更高。

4.2 提高技術人員專業水平

應要求工程測量人員參加無人機駕駛與拍攝技術培訓，提高專業能力，積累操作經驗，幫助測量人員盡快掌握無人機航測技術。通過提高測量人員操作水平，將無人機航測誤差控制在一定范圍內，提高精度。應打造綜合素質高的專業測量技術人員隊伍，制定合理的績效考核制度，使其保持積極性與能動性。還可以采用社會招聘方法，不斷引進高水平的專業人員，使無人機航測工作質量有效提高。操作人員應定期參加業務能力培訓與技能訓練，通過科學有效的培訓方式，使無人機操作理念與操作技巧更新發展，提高技術水平，確保無人機飛行迅速，減少無人機航測過程中的旋轉角度，提高航拍數據系資料的真實性與準確性。測量人員與無人機操作人員還應加強溝通交流，避免無人機航測過程中產生問題，提高無人機航測數據質量。

5 結語

近年來，無人機航測技術在工程測量領域中應用越來越廣泛。相較于傳統航測技術，無人機航測技術具有投入成本低、操作簡單及拍攝精度高的優點，可以有效提高工程測繪工作效率質量。技術人員依據無人機航測技術特點，采用正確操作流程，可以有效提高無人機航測技術數據采集的準確度，獲得更加精準的工程數據，促進工程建設順利展開。